-
Die Erfindung betrifft einen kompakten
Solar- bzw. Sonnenkollektor, der als kleines solarthermisches Kraftwerk
der Erwärmung
von Wasser, zu Heizzwecken, zur Betreibung einer Wärmepumpe oder
auch der Stromerzeugung dient.
-
Zur Nutzung der Sonnenenergie sind
bereits eine Vielzahl unterschiedlicher Konzepte bekannt.
-
Für
die Stromerzeugung aus Sonnenenergie wurden bereits große solarthermische
Kraftwerke realisiert, bei denen auf einer Fläche von 5000 bis 10000 m2 Spiegel aufgestellt sind, die das Sonnenlicht
auf einen Punkt, der Spitze eines mindestens 100 m hohen Turmes,
fokussieren. Dort befindet sich ein Absorber, in dem Luft auf etwa
800 bis 1000 Grad Celsius aufgeheizt wird. Die heiße Luft
wird in einen Abhitzekessel geleitet, um Dampf zu erzeugen. Der Dampf
wiederum treibt eine Dampfturbine zur Stromerzeugung an.
-
Solche Anlagen können nur in sonnenreichen Gebieten
ausreichend und relativ kontinuierlich Strom liefern. Sie sind sehr
aufwendig, teuer und wartungsintensiv. Für Individuallösungen sind
sie ineffektiv und ungeeignet zur Ausnutzung auch geringerer Strahlungsleistungen.
-
Bekannt sind weiterhin Fotovoltaikpaneele, die
z. B. auf Hausdächern
angeordnet, direkt Solarstrom erzeugen. Diese Art der Stromerzeugung
ist die mit Abstand teuerste.
-
Billigere und einfachere Lösungen zur
Ausnutzung der Sonnenenergie sind Solarkollektoren, die seit langem
in zahlreichen Ausführungsformen bekannt
sind. Das Grundprinzip besteht in der Erwärmung eines Mediums, vorzugsweise
Wasser, das durch schwarze Schläuche
oder Rohre geleitet, der Sonnenstrahlung ausgesetzt ist.
-
Zur Optimierung der Sonnenenergie
kann der Kollektor im Brennbereich eines Hohlspiegels angeordnet
und die gesamte Anlage der Sonne nachgeführt werden.
-
Die
DE 31 01 186 A1 beschreibt einen Sonnenwärmekollektor
in kalotten-, halbkugel- oder kugelförmiger Gestalt mit einem Absorber
und einem fluiden Wärmeträger, der
unabhängig
von Änderungen
des Sonneneinfallswinkels ist und über eine vergrößerte Wärmeabsorptionsfläche verfügt. Der
Absorber ist ein rohrförmiger,
wärmeaufnehmender
vom Wärmeträger durchströmter Kanal,
der aus einer zu einer Kuppel gewendelten Rohrspirale besteht. Der Hohlraum
unter der Kuppel wird als Wasserspeichertank genutzt.
-
Die gesamte Anordnung ist mit einer
transparenten, halbkugelförmigen
Haube umgeben, die als Schutzmantel dient und gleichzeitig eine
zusätzliche
Erwärmung
durch den sogenannten Treibhauseffekt bewirkt.
-
Zur Optimierung der Sonnenenergie
wird in dieser Erfindung ein konkaver Reflektor auf der Rückseite
des Absorbers beansprucht, ohne dass dessen Anordnung und Wirkungsweise
genauer beschrieben ist.
-
Diese Lösung arbeitet zwar grundsätzlich unabhängig vom
Sonnenstand, nutzt aber die Sonnenenergie nicht optimal aus. Es
wird immer nur ein bestimmter Sektor auf dem Absorber angestrahlt.
Die Anordnung eines Reflektors hinter dem halbkugelförmigen Absorber
kann zwar den angestrahlten Sektor erweitern, ist aber ohne ständige Nachführung in
Abhängigkeit
vom Sonnenstand wirkungslos.
-
Ein weiterer Nachteil dieser Lösung ist
dahingehend zu sehen, dass nur die Außenseite des kuppelförmig gewölbten Absorbers
bestrahlt wird, während
die Innen- oder Unterseite nicht zur Absorption der Sonnenenergie
beiträgt.
-
Auch die Weiterentwicklung dieser
Erfindung, gemäß dem Gebrauchsmuster
DE 90 10 407 U1 ,
schafft keine optimale Ausnutzung der Sonnenstrahlungsenergie. In
dieser Lösung
bildet die Wandung des Speichertanks selbst die Absorptionsfläche.
-
Die ganze Anordnung ist, wie auch
die der Vorgängerlösung mit
einer transparenten, halbkugelförmigen
Haube umgeben, die durch eine unterschiedliche Wandstärke gleichzeitig
eine Art Linseneffekt bewirken soll.
-
Die Nachteile sind aber gegenüber der
DE 31 01 186 A1 nicht
aufgehoben. Die in einem Ausführungsbeispiel
dargestellte Kugelform hat keinen Einfluss auf eine höhere Energieausbeute,
da nach wie vor nur ein Sektor, im wesentlichen auf der oberen Halbkugel,
angestrahlt ist. Eine Vergrößerung des Anstrahlungsbereiches
könnte
nur durch ein aufwendiges Reflektorsystem außerhalb der transparenten Schutzhaube
erreicht werden.
-
Eine andere Lösung gemäß
DE 296 10 091 U1 arbeitet
nach dem Satelliten- Antennen- Prinzip. Im Zentrum einer halbkugelförmigen Schale
mit Spiegelbeschichtung ist ein spiralgeformtes Rohrstück mit einem
aufheizbaren Medium zur Aufnahme der Sonnenstrahlen angeordnet.
Als aufheizbares Medium wird Öl
verwendet, das über
einen gesonderten Kreislauf einen Wassertank erhitzt. Über eine
Steuereinrichtung, die eine Solarzelle nutzt, wird die Anlage zur
Sonne ausgerichtet und nachgeführt.
-
Nachteilig an dieser Anlage ist,
dass ein Ölzusatzkreislauf
benötigt
wird. Alle wesentlichen Teile, wie Heizwendel, Hohlspiegel und auch
Solarzelle sind der Witterung ausgesetzt und müssen ständig gereinigt werden.
-
Eine andere Lösung unter Verwendung einer transparenten
Kugel zeigt der Wassererwärmer
nach der französischen
Pa tentanmeldung
FR
2 556 825 A1 auf. Im Hohlraum der Kugel wird eine Flüssigkeit zerstäubt. Die
zerstäubte
Flüssigkeit
wird durch die Sonne erwärmt,
sammelt sich im unteren Bereich der Hohlkugel und erwärmt über einen
Kreislauf Wasser in einem Tank. Diese Lösung benötigt eine Pumpe, um den Kreislauf
in Bewegung zu halten und um die Flüssigkeit sehr fein zu zerstäuben. Des
weiteren dämpft
der Sprühnebel
die Intensität
des Sonnenlichtes, was die Effektivität dieser Lösung stark einschränkt.
-
Schließlich beschreibt das japanische
Patent
JP 60122914
A1 eine Sonnenverfolgungs- und Strahlungskonzentrationseinrichtung,
bei der, eingeschlossen in einer transparenten, kugelförmigen Hülle durch
einen Hohlspiegel Licht auf einen Fotodetektor konzentriert wird.
Die gesamte Einrichtung wird in Azimut und Elevation gesteuert der
Sonne nachgeführt.
Sie kann zur Stromerzeugung mit einer Fotovoltaikzelle, nicht aber
zur Wassererwärmung
eingesetzt werden.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, einen
Solarkollektor zu schaffen, der die Sonnenenergie mit und ohne Sonnennachführung optimal
ausnutzt, einfach im Aufbau ist, nahezu wartungsarm und verschleißfrei arbeitet
sowie einfach und preiswert in der Herstellung ist.
-
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen
des 1. Patentanspruchs gelöst.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand
der Unteransprüche.
-
Der Solarkollektor besteht aus einem,
innerhalb einer transparenten, sphärischen Hülle angeordneten, als Absorber
dienenden rohrförmigen,
wärmeaufnehmenden,
von einem Wärmeträger durchströmten Kanal,
auf dessen Rückseite
in bezug auf die Strahlungsrichtung zur Verstärkung und Konzentration der
Sonnenstrahlung ein Hohlspiegel angeordnet ist. Dieser Hohlspiegel
ist entweder direkt auf einen Teilbereich der Innenfläche der
sphärischen Hülle aufgedampft
oder befindet sich auf einem gesonderten Träger innerhalb der Hohlkugel.
-
Der rohrförmige Absorber ist annähernd zu einer
kompakten Kugel oder einem Knäuel
geformt und befindet sich im Zentrum der transparenten, sphärischen
Hülle und
im Brennbereich des Hohlspiegels. Die transparente, sphärische Hülle besteht aus
einer geschlossenen, an der Unterseite bzw. Befestigungsseite abgedichteten
Kuppel aus Glas oder einem ähnlichen
transparenten Stoff. An dieser Stelle werden auch abgedichtet die
notwendigen Zuführungen
für den
vom Wärmeträger durchströmten Kanal eingeführt. Die
Befestigungsstelle kann in Form eines Metallflansches ausgebildet
sein.
-
Die transparente, sphärische Hülle hat
mehrere Aufgaben zu erfüllen.
Sie schützt
den gesamten Innenaufbau des Solarkollektors vor Wetter und Korrosion
und bewahrt ihn vor Verschmutzung. Dadurch wird die Reparatur- und
Wartungsanfälligkeit
auf ein Minimum reduziert.
-
Des weiteren sorgt die transparente
Hülle durch
den sogenannten Treibhauseffekt für einen bestimmten Grad an
Aufwärmung.
Zweckmäßig ist
dabei ein geringer Unterdruck, der gleichzeitig ein Beschlagen und
Verschmutzen der Innenwand der Kugelhülle verhindert. Diese zusätzliche
Wärmeenergie wird
kontinuierlich dem Absorber zugeführt.
-
Zudem kann sich, bedingt durch die
Kugelform, auch außen
an der Hülle
des Solarkollektors kein Schmutz absetzen. Bei Regenwetter wird
die gesamte Kugel automatisch gereinigt. Auch Schnee findet keinen
Halt bzw. schmilzt durch die vorhandene Innenwärme.
-
Der rohrförmige, wärmeaufnehmende vom Wärmeträger durchströmte Kanal
besteht vorzugsweise aus einem, in etwa zu einer Kugelform gewendelten
Rohrstück.
Für eine
weitere Optimierung der Energieaufnahme und -ausnutzung ist es zweckmäßig den
rohrförmigen
Absorber mit einer porösen Oberfläche auszustatten,
der das Licht auffängt
und innerhalb seiner porösen
Struktur derart reflektiert, dass es quasi aus dem Material nicht
mehr herauskommen kann. Derartige Schichten erzeugen eine Erhitzung
in der Tiefe der Struktur.
-
Diese Oberflächen lassen sich beispielweise durch
Aufschäumen
von Kunststoff herstellen.
-
Die poröse Struktur wird insgesamt
auf das gewendelte Rohrstück,
welches ebenfalls vorteilhaft aus Kunststoff geformt ist, aufgetragen.
-
Mit den bisher aufgeführten Merkmalen
ist der Solarkollektor für
den Einsatz in sonnenstrahlungsintensiven Breiten ausreichend und äußerst einfach
im Aufbau. Die Befestigung des Solarkollektors erfolgt hier etwas
seitlich bzw. an der Schräge
eines Daches, damit der Reflexionsspiegel nahezu unterhalb des gewendelten
Rohrstücks
angeordnet werden kann, um die Sonnenstrahlung bei einem Sonnenstand
von Ost nach West ohne Nachführung ausreichend
erfassen zu können.
-
Für
nördliche
oder auch weit südlicher
vom Äquator
entfernte Breitengrade ist eine Nachführung des Reflektors in Abhängigkeit
vom Sonnenstand zweckmäßig, um
das Sonnenlicht über
den ganzen Tag optimal ausnutzen zu können.
-
Hierzu ist der Reflektor schwenkbar
um den rohrförmigen,
wärmeaufnehmenden
vom Wärmeträger durchströmten Kanal
herum auf einer drehbaren Plattform montiert.
-
Auf der gleichen Plattform ist, um
180° zur Mitte
des Hohlspiegels versetzt, eine zur Sonne ausgerichtete Fotovoltaik zelle
angeordnet. Die Fotovoltaikzelle treibt einen Servomotor, der die
Plattform in die strahlungsintensivste Richtung dreht.
-
In einer weiteren Ausführungsform
ist es denkbar, die transparente sphärische Hülle mit einer zum Zenit der
Hülle hin
gleichmäßig ansteigenden Wandstärke zu versehen,
um zusätzlich
einen Linseneffekt zur Bündelung
des Lichtes auf den Absorber zu erreichen.
-
An Hand von Zeichnungen werden vorteilhafte
Ausführungsformen
des Solarkollektors näher beschrieben.
-
Es zeigen:
-
1 Einen
Solarkollektor mit Sonnennachführung,
-
2 Einen
Solarkollektor in einfacher Ausführung
für sonnenreiche
Breitengrade,
-
3 Der
Solarkollektor nach 2 mit
Darstellung des Sonnenstandes.
-
Der Solarkollektor nach 1 besteht aus einer geschlossenen,
zur Unterseite hin abgedichteten Glaskugel 1. Die gesamte
Konstruktion wird von einem Metallauflagefuß 11 gehalten. Der
Auflagefuß 11 besitzt
Bohrungen für
die Durchführung
der Zu- und Abführung
eines rohrförmigen
Kanals 4, der von einem als Absorber dienenden Wärmeträger 5 durchflossen
ist. Zwischen dem Auflagefuß 11 und
einem äußeren Metallring 10,
ist eine rund umlaufende Profil- Gummidichtung 9 zur Abdichtung
der Glaskugel 1 eingebracht. Dazu ist ein nach außen gerichteter, flanschartiger
Glasrand in ein U-Profil der Gummidichtung 9 eingezogen.
Die Gummidichtung 9 wird zusammen mit dem äußeren Metallring 10 und
dem Auflage fuß 11 verschraubt.
Dadurch entsteht eine vollständige
Abdichtung, die auch eine Evakuierung der Glaskugel 1 zulässt.
-
Der rohrförmige, vom Wärmeträger 5 durchflossene
Kanal 4 führt
in das Zentrum der Glaskugel 1, wo er, möglichst
eine Kugel bildend, kompakt gewendelt ist. Die Zu- und Abführung des
rohrförmigen Kanals 4 ist
mit Spezialkleber am Auflagefuß 11 und einem
innerhalb der Glaskugel 1 angeordneten Gehäuse 12 verklebt.
Auf diesem Gehäuse 12 ist
ein Drehteller 6 gelagert, der von einem Servomotor 7 gedreht
wird. Der Servomotor 7 ist innerhalb des Gehäuses 12 derart
angeordnet, dass ein Reibrad 8 an der Unterseite des Drehtellers 6 anschlägt. Dadurch wird
ein Kraftschluss zwischen dem Reibrad 8 und dem Drehteller 6 erreicht.
-
An der Oberseite des Drehtellers 6 ist
als Reflektor ein Spiegelgestell 2 mit einer Spiegelfolie 3 befestigt.
Außerdem
ist auf dem Drehteller, um 180° zu diesem
versetzt, eine Halterung 14 zur Aufnahme einer Fotovoltaikzelle 15 angeordnet.
Fotovoltaikzelle 15 und Servomotor 7 wurden zweckmäßigerweise vor
dem Einbau verkabelt.
-
Zur Erhöhung der Strahlungsabsorption
ist der rohrförmige
Kanal 4 mit einer porösen
Struktur 16 beschichtet oder umgeben.
-
Der Solarkollektor nach 1 arbeitet wie folgt:
Trifft
die Sonnenstrahlung auf die transparente Kugel 1, richtet
sich die Fotovoltaikzelle 15 nach dem hellsten Punkt am
Himmel. Das heißt,
genau an die Stelle an der sich die Sonne, auch bei einer Bewölkung, befindet.
Dabei wird von der Fotovoltaikzelle 15 ein schwacher Strom
abgegeben. Dieser treibt den Servomotor 7, der über eine
Regelschaltung den Drehteller 6 nachführt und ausrichtet.
-
Ist die Sonne durch Wolken verdeckt,
arbeitet die Anlage zwar nicht voll, aber immerhin auf geringer
Stufe weiter.
-
Nach dem automatischen Ausrichten
der Anlage, trifft die volle Sonnenenergie 18 (in 3 zu erkennen) auf den kugelförmigen Absorber 5 und
den Hohlspiegel 2. Die Strahlung 18 trifft einmal
direkt von vorn und gleichzeitig gebündelt von hinten auf den Absorber 5.
Der in der Rohrwendel 4 befindliche fluide Wärmeträger 5 wird
stark erwärmt
und dann beispielsweise als Zirkulationsflüssigkeit einem handelsüblichen
Wärmetauscher
zugeführt.
-
Nach dem die Zirkulationsflüssigkeit 5 den Wärmetauscher
mehrere Male durchlaufen hat, ist das von einer Kaltwasserleitung
kommende Wasser so warm, dass es für einen Verbrauch entnommen werden
kann.
-
Eine andere Variante ist die Nutzung
der im Wärmeträger 5 zirkulierenden
Flüssigkeit
zu Heizzwecken.
-
Eine weitere Möglichkeit bildet die doppelte Nutzung
der vom Absorber 5 abgegebenen Wärme. Hierbei wird warmes Brauchwasser über den
Wärmeaustauscher
erzeugt und zusätzlich über eine zweite
Leitung Heißwasser
in Heizkörper
abgegeben.
-
In 2 ist
eine besonders einfache Ausführung
des Solarkollekturs für
sonnenreiche Gegenden, wie sie insbesondere in der sogenannten Dritten Welt
gegeben sind, dargestellt.
-
Der grundsätzliche Aufbau des Solarkollektors
ist der Gleiche wie in 1.
Lediglich auf die Mittel und die Mechanik (Spiegelgestell 2,
Drehteller 6, Servomotor 7, Lager 13,
Fotovoltaikzelle 15) zur Sonnennachführung wurde verzichtet. Die
Spiegelfolie 3 ist direkt auf der Innenseite der sphärischen
Hülle 1 aufgedampft.
-
Der Sonnenkollektor ist mit seinem
Metallfuß 11 etwas
schräg
an einem Dach 17 oder ähnlichem befestigt,
so dass die Spiegelfläche 3 weit
unter den Absorber 5 gezogen werden kann. Die Neigung erfolgt
nördlich
des Äquators
gegen Norden, so dass bei einem hohen Sonnenstand im Süden die
Spiegelfolie 3 optimal genutzt wird.
-
3 zeigt
den gleichen Solarkollektor nach 2 von
Norden her betrachtet. Es ist zu erkennen, dass die Strahlung 18 der
Sonne durch den Hohlspiegel 3 in einem weiten Winkel von
Ost nach West auch ohne Nachführung
erfasst werden kann.
-
- 1
- Transparente
sphärische
Hülle
- 2
- Hohlspiegel,
Spiegelgestell
- 3
- Spiegelfolie
- 4
- Rohrförmiger Kanal
- 5
- Wärmeträger, Absorber
- 6
- Drehbare
Plattform, Drehteller
- 7
- Servomotor
- 8
- Reibrad
- 9
- Gummidichtung
- 10
- Äußerer Metallring
- 11
- Metallauflagefuß
- 12
- Gehäuse
- 13
- Lager
für Drehteller
- 14
- Halterung
- 15
- Fotovoltaikzelle
- 16
- Poröse Keramikstruktur
- 17
- Dach
- 18
- Sonnenstrahlen